MapGIS K9平台在三维地质可视化模型构建中的应用

通过城市地质调查工作构建地下三维地质结构模型是推动"智慧城市"建设和"地质+"服务的核心技术。以长江三角洲南翼的嘉兴市地理地形图和各类城市地质调查钻孔数据为基础,建立地形图形库、钻孔数据库、构造数据库等基础数据库,结合地理信息系统(geographic information system, GIS)技术、计算机技术、图像处理与可视化技术,构建分析评价子系统功能模块。借助MapGIS K9软件平台的三维软件工具,开展基于地表地质图和地质-地球物理-钻孔联合解译剖面的三维地质模型构建、三维模型可视化、三维模型切割及三维模型隔栅剖面展示的分析研究。精选代表性第四纪地质钻孔116个、工程地质钻孔1 106个、水文地质孔445个,分别构建了嘉兴市第四纪三维地质结构模型、工程地质三维结构模型和水文地质三维结构模型,可在任意角度、任意区块获取地层结构和属性信息,展示地下三维地质构造及地层分布特征的可视化效果,可服务于城市地下空间开发利用和规划管理工作,为政府有关部门提供科学决策依据。     

基于GTP-TEN的复杂地质体三维混合建模

为解决三维地质体模型内部属性信息查询及空间力学分析问题,提出一种基于广义三棱柱–四面体体元的三维复杂地质体建模方法。首先根据钻孔及剖面数据,结合地层地质演变历史和水平集理论对研究区域进行地层划分,然后采用Kriging法在钻孔点云数据中引入虚拟钻孔,构建各地层层面不规则三角网模型,最后通过广义三棱柱–四面体体元算法建立研究区域内的三维复杂地质体模型。除此之外,在地层层面构建算法中还预设了局部区域属性信息提取及加密算法以保证后期模型应用时的计算分析精度要求。采用该方法可以实现地层不整合、尖灭及透镜体等特殊地质现象的表达和地质体内部属性信息提取及局部精细化模型构建,为后续进行工程稳定性分析提供可同时实现可视化的计算模型。将该方法应用于深圳市光明新区红坳渣土场,结合钻孔数据和剖面数据构建了渣土场的真三维地质模型,实现了其内部属性信息的空间查询与分析,为渣土场的稳定性分析奠定了基础。     

基于IDL的三维地质体模拟系统的设计与实现

三维地质体建模具有形象、直观、易操作等优点,已成为地学研究的重点。以野外收集的钻孔资料为源数据,利用IDL强大的数据处理与图形显示功能,采用表面模型法和体绘制构造三维地质体可视化模型,通过建立的可视化界面实现地质体的旋转、缩放等多种控制操作,并且实现任意点地层属性查询、动态调整、剖面切割等分析功能。最后,将其应用于实际工程中,验证了系统的可行性和实用性。     

服务于地铁施工的三维地质模型快速构建方法

本文介绍适合城市轨道交通工程施工单位的地铁工程三维地质模型快速建立方法,基于AECOsim Building Designer软件平台,利用地质剖面图,通过插入控制点,拟合地质界面,链接地质属性,最终建立三维地质模型。建模简便,数据来源于施工方日常使用数据,能满足施工方日常生产使用。实现三维地质可视化和查询数据的效果,从而使现场技术人员和管理人员更加真实、直观地认识各种地质结构,辅助解决各类地质施工问题。     

铲状断层三维可视化建模及矢量剪切

断层构形非相似性问题制约着三维可视化建模的发展,铲状断层表现得尤为典型。针对铲状断层非相似结构特征,提出构形相似性建模法,通过铲状断层剖面几何构形进行相似性转化,对铲状断层上、下盘单体进行属性编码赋值,确定单体空间拓扑关系,力求为地质、数学、计算机三方均可接受。采用三维Geo-View——三维可视化地学信息系统软件,基于铲状断层剖面资料建立铲状断层三维数据体,实现铲状断层三维地质体的矢量剪切,包括倾向、走向、水平向和斜向矢量剪切。该建模方法可以为其他三维可视化软件在解决断层建模方面提供借鉴,在岩土工程、盆地模拟、矿山地质等三维可视化应用领域有一定工程价值。     

边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用

提出用各种线符及其组合概化岩体结构和物性两类信息，并建立起相应的拟合函数，实现工程地质结构及边坡工程开挖的三维模拟和再现。根据实测的离散点信息建立起三维可视化模型，显示任意位置的剖面和平切面图及其它方面的三维计算。最后成功地应用到长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构模拟和信息的再现。     

富水岩溶发育地质地下连续墙施工前处理方法

为解决富水、岩溶发育地质情况下进行地下连续墙成槽施工时,容易出现坍孔、漏浆等不良的工程问题,创新了施工方法.基于前期的地质勘察信息构建项目现场的三维可视化地质信息模型,反映溶洞走向、分布、大小等地下工况,预估灌浆填充量,并根据溶洞的洞高大小和填充程度等工况,分别采取设置止浆墙、袖阀管灌浆、钢花管灌浆等技术处理手段.经工程应用证实,成槽过程中未发现明显的坍孔、漏浆现象,地下连续墙成形质量良好,总结的经验可为其他复杂地质情况下的地下连续墙施工提供借鉴.     

基于三维地质模型的工程岩体结构精细数值建模

针对岩体结构数值模拟分析前处理工作中存在的地质模型建立、空间单元划分等难点,提出将三维地质模型与数值模拟分析进行耦合来简化其前处理的具体思路和方法。在三维地质建模系统中,建立精细的工程地质三维统一模型,通过单元网格几何模型的自动生成和模型数据的转换输入,可快速、准确地为岩体结构数值模拟分析提供不同类别、信息丰富的精细三维网格剖分模型,不仅简化了数值计算分析的前处理工作,同时也可丰富三维地质模型的属性信息,为工程设计与优化提供更直观、便捷的信息平台。     

工程地质三维建模及分析系统设计研究

 采用边界表示(BRep)结构和TIN模型的混合数据结构，借助GIS技术，开发集基础数据管理和三维地质建模为一体的工程地质三维建模及分析系统。采用TIN模型来拟合构造复杂的地质曲面，提出包括直接由离散点生成TIN模型、或由地形等高线生成TIN模型，以及由规则格网数据生成TIN模型的多种构造方法，并实现地质层面TIN模型的求交、裁剪，以及缝合等关键技术；引入颜色、纹理等“渲染”技术，实现地质信息的逼真表达；此外，探讨基于三维地质模型的任意地质剖面分析、岩土体分布面积和体积计算等基本分析技术，最后将系统应用于滑坡、高边坡、水利水电以及公路边坡开挖等工程地质三维建模和分析中，验证该理论及系统的可靠性和通用性。     

CATIA-FLAC~(3D)耦合建模方法及其应用

针对FLAC3D面向复杂的地质模型建模存在的技术困难和不足,提出CATIA-FLAC3D耦合建模新方法。先利用CATIA强大的三维地质体建模功能进行三维地质建模,再利用其有限元模块对地质体进行网格划分;基于对两类软件中单元、节点数据关系的差异分析,应用Visual Basic语言编写CATIA-FLAC3D接口程序,实现了将CATIA环境下建模生成的单元、节点信息导入FLAC3D。以某已建成偏压隧道工程为例,验证了CATIA-FLAC3D耦合建模方法的可行性和有效性,为FLAC3D构建三维复杂工程模型提供了新的思路。     

考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

动水动态信息化注浆模型的建立及初步应用

鉴于岩溶富水隧道地质条件的复杂性和动水分布的不均匀性,以重庆市轨道交通一号线中梁山隧道工程帷幕注浆为例,以第6循环K25+619—K25+649段动态信息化注浆为研究对象,根据实际地质情况,建立了动水动态信息化注浆模型。在中梁山隧道岩溶富水帷幕注浆过程中,以注浆模型为指导,探究信息化帷幕注浆堵水,寻求一种新型的注浆思路,实现科学、文明、快速、高效注浆。     

Information and knowledge behind data from underground rock grouting

Data related to the pre-grouting work of a large underground project are systematically analyzed to reveal the mechanism behind, to shed some light on the execution of practical grouting, and to enrich the theory of engineering geology. Grouting is generally taken as an effective way for controlling non-ignorable water seepage during underground rock excavation. Though various models have been developed to guide grouting design or to specify criteria for grouting stop, it does not change the fact that grouting is still highly experience-based. Therefore, explanation of the current situation due to grouting complexity is given through step-by-step data analysis, where the impact on grouting parameters from the geological and hydrogeological conditions is investigated, and the grouting features of two tunnels located at the same depth below the sea surface are compared and discussed. Then, the data from individual grout hole are used to construct the regional geological conditions via inverse analysis. It is found that grouting of fractured rock masses is accompanied with great uncertainty, and field grouting data can contribute significantly to a better understanding of the regional geological conditions around an underground tunnel or rock cavern.     

基于“浆-土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明：注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

基于三维地质模型的地下洞室曲面块体分析

 利用水电工程中地质确定型数据和统计型数据,耦合随机结构面网络模拟技术和基于NURBS-BRep 混合数据结构的地质构造建模技术,对不同类别的地质对象进行相应的拟合和构建,建立岩体结构三维精细模型。在此基础上,提出曲面块体的概念和数学定义,综合考虑随机裂隙面和空间断层、洞室开挖面等确定性地质结构面来进行曲面块体识别与分析,并提出曲面块体的封闭性、完备性、唯一性三大识别定理。结合水电工程实例,以地下洞室区域为研究对象,依据曲面块体识别定理及其相关技术快速识别分析出区域内曲面块体,为进一步分析块体稳定和围岩加固提供有效的地质和几何信息。     

海底隧道复合注浆机制研究及工程应用

 由于海底隧道复杂的地质条件和特殊的水边界,单一的注浆方式和注浆材料不能达到理想的效果,因此提出复合注浆。复合注浆是采用多种注浆方式和注浆材料,根据具体地层条件,按照一定的时空顺序对被注载体进行注浆,其机制在于分步改善工程载荷作用的边界条件,解决围岩的渗透、强度和稳定性问题。基于风化花岗岩地层的特点,利用颗粒流软件对注浆过程进行仿真模拟,揭示复合注浆机制,并提出常见的复合注浆加固模式。结合厦门海底隧道右线F1风化槽复合注浆工程的成功实践,形成风化槽复合注浆堵水关键技术及评价指标,研究成果可为海底隧道安全穿越不良地质体提供参考和指导。     

大型地下水封储库围岩快速补强灌浆体系

地下水封储库工程对水封条件和水封效果要求较高,在施工期仍需保持高于洞顶的地下水位以保证水封效果。针对国内某大型地下水封储库的地质、结构和施工特殊性而出现的岩体灌浆难题,提出一套完备的技术体系,利用数字平台三维地质展示及破碎带预测提前预知地质情况,结合专用的早强快硬灌浆材料、牵引灌浆工艺,围岩补强一体化灌浆设备及相应检测手段,在工程不良地质区进行有效灌浆,较好地解决了地下水封储库灌浆难题。针对循环灌浆工艺发现基于硫铝酸盐水泥的灌浆材料在不同压力循环下水化放热峰值时间随循环时间的加长而缩短,抗压强度随循环时间的加长而降低。本文研究成果可为大型地下水封储库围岩快速补强灌浆提供重要依据和技术支持。     

破碎地层预应力锚索灌浆技术

在破碎地层上进行预应力锚索灌浆是锚索施工过程中的重点和难点。总结归纳了3种在破碎地层的锚索灌浆技术:处理锚索孔破碎带、使用包裹土工布的无粘结钢绞线和变换灌浆方式,并指出其相应的优缺点和适用范围。     

隧道岩溶空间探测

地下隧道岩溶发育空间不均匀性造成岩溶地质灾害极不确定且难以准确探查,岩溶空间信息的探测是隧道超前地质预报最大难题。在综合地质预报中引入三维数据处理技术以获取岩溶异常三维信息,根据三维信息制定专项钻探动态设计方案。通过钻探定向与边界变化逐步确定岩溶异常相对隧道空间的位置及规模,即获得岩溶空间信息。通过岩溶隧道工程实例,应用三维数据处理技术前后预报和钻探设计方案对比,应用三维技术并结合专项设计钻探方案的综合预报,可以完成岩溶空间信息的探查,在工作效率及目标确认准确度上较一般方式有质的提高。加强三维空间探测应用研究建立科学合理的隧道岩溶空间综合预报管理体系,根据岩溶空间信息动态制定施工支护措施能有效预防隧道岩溶地质灾害发生。